Det ideelle brændstof

På en solskinsdag på campus ved University of California, Berkeley, modsiger den fredelige raslen af ​​eukalyptustræer den rasende kemiske aktivitet, der sker inde i hvert enkelt blad. Gennem fotosyntese bruger blade energien i sollys til at omdanne vand og kuldioxid til stoffer, som planter har brug for, og kun udsender ilt i processen. I et nærliggende laboratorium bygger kemiker Peidong Yang et kunstigt system, der gør det samme, ved hjælp af arrays af nanotråde koblet med konstruerede bakterier. Hvis noget som dette nogensinde bliver opskaleret, ville det give en bedre version af de brændstoffer, vi bruger i dag - en, der ikke tilføjer den samlede mængde kuldioxid i luften.

Peidong Yang

Fotosyntese har været meget svær at efterligne i laboratoriet. I 1970'erne viste forskere ved University of Tokyo for første gang, at en solcelledrevet enhed kunne gøre, hvad planter gør i det første trin af fotosyntesen: opdele vand til brint og ilt. Efter et indledende udbrud af aktivitet gik feltet i stå. Men det er blevet genfødt i flere laboratorier takket være et fornyet fokus på energiproblemet og klimaforandringerne - og på grund af fremkomsten af ​​nye teknologier.

1. Denne lille reaktor fyldt med kemiske prækursorer og vand opvarmes i en ovn for at dyrke titaniumdioxid nanotråde.

2. Silicium nanotråde dyrkes fra gasformige forstadier, der strømmer gennem denne reaktor.

3. Silicium nanotråde kan også dyrkes på større overflader som denne wafer. Det bliver skåret i stykker, der fungerer som elektroder inde i enheden.

4. Bakterier i denne inkubator vil blive podet på en elektrode for at fungere som levende katalysatorer.

Denne historie var en del af vores januar 2016-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Yangs laboratorium er ved at forbedre et grundlæggende design, der blev udviklet i 1970'erne på National Renewable Energy Laboratory. Den har to lysfølsomme elektroder belagt med en katalysator - Yang bruger nikkel, hvilket er billigt - der sammen deler vand i ilt og brint. I den originale opsætning var elektroderne flade, men Yang bruger i stedet arrays af nanotråde lavet af silicium og andre halvledere. Fordi nanotrådene har 100 gange overfladearealet af flade elektroder, der kunne passe ind i det samme rum, kan de holde mere af katalysatoren, hvilket i høj grad øger effektiviteten af ​​reaktionen.

Men at spalte vand er den nemme halvdel af fotosyntesen. Planter går længere og bruger brinten fra vand i reaktioner, der omdanner kulstof fra luften til komplekse molekyler. Yang vil også gerne gøre dette. Vores fly og biler kører jo ikke på brint; de har brug for benzin og andre kemisk komplekse brændstoffer.

5. Inde i denne enhed driver lys en reaktion, hvor vand og kuldioxid omdannes til brændstof. Slange tillader reaktionens biprodukt — ren ilt — at undslippe.

6 og 7. Nogle bakterier i systemet producerer metan, som kan bruges direkte som brændstof; andre laver acetat, som tilføres andre gensplejsede bakterier til fremstilling af brændstoffer og plastik. Her, konstrueret E coli fodre med acetat.

8. Analytiske værktøjer inklusive massespektrometre bruges til at verificere, at bakterierne har lavet det ønskede kemikalie. Indtil videre er systemet lige så effektivt som naturlig fotosyntese.

For at katalysere den del af processen er Yang afhængig af en anden teknologi, der ikke fandtes i 70'erne. Han og kolleger har vist, at gensplejsede bakterier, der ligger midt i nanotrådene, fungerer som levende katalysatorer. De tager brinten op fra vandet og kombinerer det med kuldioxid for at lave metan og andre kulbrinter, der er nødvendige til brændstof eller plast. Det gør insekterne med naturlige enzymer, der udfører en række reaktioner, som kemikere endnu ikke har været i stand til at mestre med syntetiske katalysatorer.

Yangs system matcher i øjeblikket effektiviteten af ​​fotosyntese og lagrer under 1 procent af energien fra sollys i form af kemiske bindinger. Det er ikke dårligt for en proof-of-concept demonstration, men at gøre den mere effektiv og dermed omkostningseffektiv vil være afgørende.

Yang håber med tiden at skifte til syntetiske katalysatorer i stedet for bakterier, som er vanskelige at holde i live. Men fuldstændig eliminering af fejlene er måske ikke nødvendigt i betragtning af det presserende behov for rent brændstof. Hvis det skal være en hybrid tilgang, er det okay, siger han.

skjule